硅基太赫兹振荡器关键技术研究

With the continuous exploration of the electromagnetic spectrum, the importance of the terahertz band is gradually emerging. Recently, the operating frequency of the silicon-based active circuits has increased rapidly with the development of the silicon-based technology. Silicon-based technology has the advantages such as high integration level, multifunction as well as low cost. Consequently, the silicon-based terahertz devices become research hotspot. Terahertz oscillator is one of the key device of terahertz system and is always the research focus of terahertz devices. This proposal focus on the technology and design method of silicon-based terahertz oscillator. Based on study of the lossy characteristics of the multi-layer metal structure and silicon substrate, accurate simulation model of the transmission structures, passive components and active device will be built. The method to improve the output frequency and power will be studied to get high performance oscillator in terahertz frequencies. The testing method and platform will also be studied for terahertz oscillator. The goal of research is to provide the technical basis for the terahertz devices and on chip systems in the future.

随着人们对电磁波谱的不断探索，太赫兹频段的重要性逐渐显现。近年来硅基工艺快速发展，硅基典型有源器件的工作频率迅速提升。硅工艺在集成度、功能以及成本等方面具有优势，使得硅基太赫兹器件成为当前的研究热点。太赫兹振荡器是太赫兹系统中的关键器件，一直是太赫兹器件设计的难点与重点。本项目将采用硅基集成电路工艺对太赫兹振荡器设计方法和关键技术开展研究。在探索硅工艺在太赫兹频段特点的基础上，建立设计所需的传输结构、无源元件、有源器件等的有效模型，研究提高输出频率与功率的硅基振荡器设计方法，以及精确的在片测试方法等，为今后太赫兹频段器件与片上系统的实现提供技术基础。

本项目对硅基太赫兹振荡器进行探索性研究。研究太赫兹振荡器的结构与设计方法，探索提高振荡器工作频率和输出功率的方案，并进行流片与实验研究。在项目的研究过程中，重点考虑振荡器的工作频率和输出功率，同时兼顾频率调谐范围。在对硅基工艺材料、无源元件与有源器件在太赫兹频段特性研究的基础上，对多种形式的振荡器电路开展研究，选取适合太赫兹频段的高性能振荡器的实现方案。成功研制了太赫兹频段多种结构的振荡器芯片，改善了硅基振荡器的输出功率，提高了振荡器的工作频率。在环形振荡器芯片的研究中，提出了一种新型共射结构晶体管地墙去耦合外围连接结构，解决了晶体管外围连接寄生电容耦合对振荡器性能的影响，有效地提升了振荡器的输出功率和直流到射频信号的转换效率，振荡器的基波输出频率超过200GHz。在300GHz信号源芯片的研究中，提出了一种基于开关切换射频地线圈所构成的电流回路以调谐顶层电感线圈感值的新型开关电感，并且将该电感应用到压控振荡器的谐振腔设计中，有效地提升了振荡器的输出频率调谐范围；针对晶体管外围连接寄生电容参数影响较大的问题，提出具有最佳寄生效应的多层锥形晶体管外围连接结构，有效地降低了由晶体管外围连接带来的寄生参数的影响；在倍频器输出阻抗匹配设计中，提出了一种高品质因数的共面波导传输线，改善了输出阻抗匹配网络的性能。所设计的300GHz信号源芯片最大输出功率超过2dBm。部分研究成果达到国际先进水平。搭建了太赫兹振荡器芯片的输出频谱和功率测试平台，测量频率范围覆盖毫米波至325GHz。经过调试和校准，可以准确测试太赫兹振荡器的工作频率和输出功率。